Desain sirkuit terpadu fotonik

Desain darifotoniksirkuit terpadu

Sirkuit terpadu fotonik(PIC) sering dirancang dengan bantuan skrip matematika karena pentingnya panjang jalur dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif terhadap panjang jalur.fotodibuat dengan menepuk-nepuk beberapa lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri dari banyak bentuk poligonal, sering kali direpresentasikan dalam format GDSII. Sebelum mengirim file ke produsen photomask, sangat diharapkan untuk dapat melakukan simulasi PIC untuk memverifikasi kebenaran desain. Simulasi dibagi menjadi beberapa tingkatan: tingkat terendah adalah simulasi elektromagnetik tiga dimensi (EM), dimana simulasi dilakukan pada tingkat sub-panjang gelombang, meskipun interaksi antar atom dalam material ditangani pada skala makroskopis. Metode yang umum mencakup domain waktu perbedaan hingga tiga dimensi (FDTD 3D) dan ekspansi mode eigen (EME). Metode ini adalah yang paling akurat, namun tidak praktis untuk keseluruhan waktu simulasi PIC. Level selanjutnya adalah simulasi EM 2,5 dimensi, seperti propagasi berkas beda hingga (FD-BPM). Metode ini jauh lebih cepat, tetapi mengorbankan akurasi dan hanya dapat menangani propagasi paraksial dan tidak dapat digunakan untuk mensimulasikan resonator, misalnya. Level selanjutnya adalah simulasi EM 2D, seperti FDTD 2D dan BPM 2D. Ini juga lebih cepat, namun memiliki fungsi terbatas, seperti tidak dapat mensimulasikan rotator polarisasi. Tingkat selanjutnya adalah simulasi matriks transmisi dan/atau hamburan. Setiap komponen utama direduksi menjadi komponen dengan input dan output, dan pandu gelombang yang terhubung direduksi menjadi elemen pergeseran fasa dan atenuasi. Simulasi ini sangat cepat. Sinyal keluaran diperoleh dengan mengalikan matriks transmisi dengan sinyal masukan. Matriks hamburan (yang elemennya disebut parameter S) mengalikan sinyal masukan dan keluaran di satu sisi untuk mencari sinyal masukan dan keluaran di sisi lain komponen. Pada dasarnya matriks hamburan memuat pantulan di dalam elemen. Matriks hamburan biasanya dua kali lebih besar dari matriks transmisi di setiap dimensi. Singkatnya, dari EM 3D hingga simulasi matriks transmisi/hamburan, setiap lapisan simulasi menghadirkan trade-off antara kecepatan dan akurasi, dan desainer memilih tingkat simulasi yang tepat untuk kebutuhan spesifik mereka guna mengoptimalkan proses validasi desain.

Namun, mengandalkan simulasi elektromagnetik elemen tertentu dan menggunakan matriks hamburan/transfer untuk mensimulasikan seluruh PIC tidak menjamin desain yang sepenuhnya benar di depan pelat aliran. Misalnya, panjang jalur yang salah dihitung, pandu gelombang multimode yang gagal menekan mode tingkat tinggi secara efektif, atau dua pandu gelombang yang terlalu dekat satu sama lain menyebabkan masalah penggandengan yang tidak terduga kemungkinan besar tidak terdeteksi selama simulasi. Oleh karena itu, meskipun alat simulasi canggih memberikan kemampuan validasi desain yang kuat, namun tetap memerlukan kewaspadaan tingkat tinggi dan pemeriksaan yang cermat oleh perancang, dikombinasikan dengan pengalaman praktis dan pengetahuan teknis, untuk memastikan keakuratan dan keandalan desain serta mengurangi risiko kesalahan. lembar aliran.

Teknik yang disebut sparse FDTD memungkinkan simulasi FDTD 3D dan 2D dilakukan secara langsung pada desain PIC lengkap untuk memvalidasi desain. Meskipun alat simulasi elektromagnetik sulit untuk mensimulasikan PIC berskala sangat besar, FDTD sparse mampu mensimulasikan area lokal yang cukup luas. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi dimulai dengan menginisialisasi enam komponen medan elektromagnetik dalam volume terkuantisasi tertentu. Seiring berjalannya waktu, komponen bidang baru dalam volume dihitung, dan seterusnya. Setiap langkah memerlukan banyak perhitungan sehingga memerlukan waktu yang cukup lama. Dalam FDTD 3D renggang, alih-alih menghitung pada setiap langkah di setiap titik volume, daftar komponen bidang dipertahankan yang secara teoritis dapat sesuai dengan volume besar yang sewenang-wenang dan dihitung hanya untuk komponen tersebut. Pada setiap langkah waktu, titik-titik yang berdekatan dengan komponen medan ditambahkan, sedangkan komponen medan di bawah ambang batas daya tertentu dihilangkan. Untuk beberapa struktur, perhitungan ini bisa beberapa kali lipat lebih cepat dibandingkan FDTD 3D tradisional. Namun, FDTDS yang jarang tidak berfungsi dengan baik ketika berhadapan dengan struktur yang tersebar karena saat ini penyebaran lapangan terlalu banyak, sehingga menghasilkan daftar yang terlalu panjang dan sulit untuk dikelola. Gambar 1 menunjukkan contoh tangkapan layar simulasi FDTD 3D yang mirip dengan polarisasi beam splitter (PBS).

Gambar 1: Hasil simulasi dari 3D sparse FDTD. (A) adalah tampak atas dari struktur yang disimulasikan, yang merupakan penggandeng arah. (B) Menampilkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi kuasi-TE. Dua diagram di atas menunjukkan tampilan atas sinyal kuasi-TE dan kuasi-TM, dan dua diagram di bawah menunjukkan tampilan penampang yang sesuai. (C) Menampilkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi kuasi-TM.